西电、武大、青禾晶元联合突破：GaN-on-Diamond技术获重要进展

随着5G通信、雷达、电动汽车以及航天等领域的发展，氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）正成为高频、高功率器件的核心。然而，随着功率密度不断提升，自热效应已成为制约器件性能的关键瓶颈。

在所有散热材料中，金刚石因其超过2000 W/m·K的超高热导率，被认为是理想的热沉材料。因此，“GaN-on-Diamond”结构被视为突破GaN器件散热极限的重要路径。

但现实问题在于：
一方面，金刚石表面极难抛光至原子级平整，成本极高；
另一方面，传统离子束等平坦化方法又会破坏金刚石表面结构，引入非晶碳或石墨相，反而增加界面热阻。

如何实现低成本、高质量、低热阻的GaN/金刚石界面，成为行业核心难题。

近期，西安电子科技大学、武汉大学、青禾晶元在GaN高功率器件热管理领域取得重要进展。相关成果以“Record-low thermal boundary resistance of GaN-on-diamond structure with ultra-high bonding rate via surface reconstruction bonding technique”为题发表在《Journal of Alloys and Compounds》。论文作者包括西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授团队、武汉大学袁超研究员、青禾晶元母凤文博士。

研究团队提出了一种原位表面重构（SRC）与表面活化键合（SAB）相结合的新方法。该方法并非简单依赖“去除凸起”的传统思路，而是通过“填谷”机制实现表面平坦化。具体而言，首先在金刚石表面沉积一层非晶硅（α-Si），随后利用倾斜角氩离子轰击，使硅原子向表面低洼区域迁移，从而逐步填平表面起伏。通过多次循环处理，金刚石表面粗糙度由约1.3 nm降低至0.5 nm以下，同时避免了石墨化等结构损伤，实现了低成本、低损伤的表面优化。

在界面结合效果方面，该技术同样表现出显著优势。实验结果显示，未经SRC处理的样品键合率仅约40%，而经过4轮SRC处理后，键合率可提升至接近100%，界面基本无空洞缺陷。进一步的透射电镜分析表明，GaN与金刚石之间形成了一层约8 nm的非晶硅中间层，界面连续致密，有利于后续热传导。

在热性能方面，研究团队通过瞬态热反射（TTR）方法对界面热阻进行了系统测试。结果显示，该GaN-on-Diamond结构的热边界电阻低至7.7 ± 0.6 m2K/GW，最低可达7.1 m2K/GW，同时在整个样品范围内具有良好的均匀性。这一数值刷新了当前已报道的同类键合结构最低水平，表明该方法在界面热管理方面具有显著优势。

进一步分析表明，该性能提升主要来源于几个方面：一是SRC过程避免了非晶碳或石墨相的生成，从而减少声子散射；二是中间层厚度仅约8 nm，有效降低了附加热阻；三是界面致密无空洞，使热传输路径更加连续。这些因素共同作用，使得界面热阻显著降低，从而提升整体散热效率。

从产业角度来看，这项技术的意义不仅体现在性能指标的提升，更在于解决了长期存在的工艺矛盾。传统工艺中，中间层越厚虽然有利于提高键合率，但会显著增加热阻，而该研究实现了高键合率与低热阻的兼顾。同时，该方法无需极高成本的精密抛光工艺，有望显著降低制造成本，并具备向大尺寸晶圆扩展的潜力。

总体来看，这项工作围绕GaN器件热管理这一核心问题，提出了一种兼顾性能与成本的界面工程新路径。通过引入SRC表面重构机制，实现了金刚石表面的原子级平坦化，并构建了高质量、低热阻的GaN/金刚石界面结构，为高功率GaN器件的发展提供了重要支撑。随着大尺寸金刚石材料逐步成熟，该技术有望加速GaN-on-Diamond在射频器件、电力电子以及高算力芯片等领域的实际应用落地。

图文导读

图1. SRC键合技术的示意图。

图2. 同一金刚石表面在（a）初始CMP处理后和（b）4个SRC循环后的AFM图像。5个钻石基板在不同SRC处理循环次数下，（c）均方根值与（d）最高峰值之间的关系。

图3. 金刚石衬底的键合图像，分别对应（a）初始CMP处理后和（b）4个SRC循环后。（c）经过4个SRC循环的GaN/钻石键合样品的SAM图像。

图4. GaN/金刚石界面的高分辨率透射电子显微镜图像。

来源：DT半导体

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